Алгоритмы обработки цифрового сигнала

Введение 

Вы когда-нибудь задумывались над тем, что происходит с сигналом от вашего устройства, когда он (сигнал) поступает на вход такого измерительного прибора как анализатор сигналов? Если нет, то следовало бы. Понимание того, каким образом ваш сигнал проходит обработку «во чреве» анализатора сигналов поможет осуществлять измерения с максимальной точностью. Нежелание иметь представление о том, как функционирует анализатор приведёт к возникновению ошибок и, как результат, к неточным результатам измерений. В рамках настоящей статьи мы рассмотрим основы устройства высокотехнологичного анализатора сигналов и как вы сможете применять эти знания для избегания ошибок и оптимизации алгоритмов измерений. 

Сигнал поступает на вход Анализатора Сигналов 

Когда вы подстыковываете устройство под тестированием (DUT) к входам своего анализатора, то сигнал проходит через аттенюатор РЧ входа и предусилитель. Эти компоненты предназначены для масштабирования сигнала до тех уровней, которые остальные компоненты и узлы анализаторы способны воспринимать. Кроме того, аттенюатор РЧ входа и предусилитель обеспечивают контроль шкалы тестируемого сигнала, представленного на экране Анализатора. При масштабировании сигнала помните, что установки аттенюатора могут помочь вам оптимизировать соотношение сигнал/шум (SNR). В случае сигнала низкого уровня снижение величины входного затухания и активизация предусилителя способны повысить чувствительность, формально известную как Отображаемый Усреднённый Уровень Шумов (DANL) Анализатора. Но в случае сигнала высокой мощности, вполне вероятно, что вы найдёте целесообразным активировать функцию затухания для понижения величины входной мощности, тем самым, предотвращая перегрузку, искажения и усиление сжатия.

Затем ваш сигнал пройдёт через фильтр. В случае анализаторов спектра начального уровня это будет стандартный полосовой фильтр. Если фильтр вашего анализатора сигналов является пре-селектором, то это будет настраиваемый полосовой фильтр, перемещающийся через частотную область: от низких до высоких частот. Предварительный селектор определяет диапазон частот, который захватывается анализатором в каждый конкретный момент. Это будет продолжаться, пока пре-селектор не пройдет всю выбранную вами частотную полосу анализа. Поскольку фильтр осуществляет режим развёртки по всем частотам тестируемого сигнала, то этот сигнал пройдёт через микшер. На этом этапе нам нужно быстро переключиться на другой вход микшера, чтобы понять, что будет с вашим сигналом дальше.

Микшер 

Микшер - это трехпортовое нелинейное устройство. Как уже говорилось, входной порт микшера принимает сигнал от вашего устройства.   Одновременно разъём местного гетеродина микшера (LO) принимает сигнал от локального генератора который, перемещаясь по полосе измеряемой частоты, настраивается генератором развёртки. Третий разъём микшера – выход, представляющий собой смешение входного сигнала и сигнала от LO. 
Иными словами, выход микшера является суммой и разницей частот вашего (тестируемого) сигнала и частот местного гетеродина. Когда этот смешанный выходной сигнал эквивалентен значению Промежуточной частоты (IF), то происходит  отфильтровывание пути прохождения сигнала, после чего этот смешанный сигнал проходит через фильтр IF и продолжает свой путь. В это самое время анализатор сигналов идентифицирует частоту вашего сигнала, что позволяет всей измерительной системе «беспокоиться» об одной лишь амплитуде, чем об амплитуде и частоте. Но перед тем, как задействовать следующий фильтр, микшер направляет сигнал на Аналого-Цифровой Преобразователь (ADC) для преобразования вашего аналогового сигнала в цифровой формат.  Проверьте характеристики вашего анализатора сигналов, так как микшеры могут добавлять пики, шум или гармоники – вам необходимо иметь возможность отличать характеристики сигнала, которые свойственны тестируемому устройству, от добавленных или усиленных от влияния микшера.

Обработка цифрового сигнала 
Фильтр промежуточной частоты (IF Filter) 

Теперь, когда ваш сигнал прошёл процедуру смешения и его частоты идентифицированы, сам сигнал преобразован в цифровой формат - теперь он проходит через фильтр IF. Настройка, посредством которой вы контролируете IF filter, есть разрешение полосы пропускания (RBW), полоса 3 dB фильтра IF. Если формулировать иначе, то RBW представляет собой величину (меру) минимального разделения между двумя частотными компонентами, что требуется для наблюдения их на экране Анализатора в качестве отдельно взятых сигналов. Широкое разрешение RBW позволяет вам осуществлять быструю развёртку, но при этом вы обретаете меньшее разрешение по горизонтали и более высокий порог шумов, поскольку в этом случае вы рассматриваете более широкую полосу частот в каждый момент времени режима развёртки. Узкий фильтр RBW требует большего времени на развёртку, но при этом проводит близкое разрешение отдельных сигналов по их частоте, понижает шумовой порог и повышает точность при считывании параметров частоты, т.к. в этом случае вы рассматриваете меньшую полосу пропускания в каждый момент времени. Эта концепция наглядно представлена на рис. 1

Рис. 1  Иллюстрация настроек RBW: широкой, средней и узкой

Возможность контролировать полосу пропускания фильтра IF или RBW даёт вам в руки рычаги управления типами измерений, которые требуется осуществлять, соответственно и получать желаемые данные. Всё, что описано выше имеет аналогию сита: – широко сетчатое сито будет просеивать песок быстрее, при этом компоненты малого размера могут быть не захвачены - и наоборот, сито узко сетчатое будет просеивать дольше, но при этом с гарантией того, что вы ничего не упустите, будь то большие или маленькие компоненты.

Устанавливайте широкий RBW, когда есть необходимость в широком диапазоне, тем самым, максимально упрощая измерения и не увязая в мелочах, например, когда вполне достаточно результатов общего назначения, быстрых, по принципу: «проверил и ладно…». Или же, вы можете использовать широкий RBW, когда важна только быстрая развёртка и не более того. Наоборот, устанавливайте узкое разрешение RBW, когда вам требуется копнуть глубоко, когда важны подробные результаты измерений, как то отладка неисправностей тестируемого устройства или же поиск паразитных сигналов и выбросов, как известных, так и нет. 

Цифровые детекторы 

После фильтра IF сигнал проходит через цифровые детекторы. Цифровые детекторы определяют амплитуду тестируемого сигнала по времени (продолжительности) развёртки. Важнейшим преимуществом цифрового анализатора сигналов перед его аналоговым собратом является способность первого выбирать данные, что отображаются на экране. 

АЦП захватывает и выдаёт огромные массивы выборок данных. Фактически вы получаете от АЦП больше точек данных, чем это требуется для формирования полноценного изображения тестируемого сигнала на экране Анализатора. Не утрачивая точности при его (сигнала) воспроизводстве, вы можете разделять все полученные данные на своего рода порции (кластеры), при этом вычленять из этих порций отдельно взятые точки для последующей реконструкции сигнала. А это именно то, что делают цифровые детекторы. 

Технология цифрового обнаружения даёт возможность определять набор данных в каждом кластере, которые (наборы данных) используются на основе различных алгоритмов. Один из этих алгоритмов есть т.н. Тип Положительного Детектора, который идентифицирует наибольший набор данных в каждом кластере. Тип Негативного Детектора выявляет наименьший набор данных в каждом кластере.  Применять эти типы детекторов эффективно, если у вас стоит задача в понимании крайностей т.е убедиться в том, что максимальные или минимальные наборы данных никогда не пересекут определённый порог, принимая в расчёт лучшие и/или худшие сценарии.  Выявление выборок похоже на выбор случайного набора данных – как правило, алгоритм, используемый для такого режима, выбирает точки данных в середине каждого кластера. См. рис 2 для иллюстрации этих трёх типов детекторов. Иные типы детекторов включают в себя Нормальный тип и Среднеквадратичный.

Рис. 2 Типы детекторов

«Путешествие» сигнала заканчивается и мы можем приступать к измерениям 

В этой ситуации Анализатор Сигналов обладает всей полнотой информации. У прибора имеются точки данных по амплитуде на различных частотах, потому стало возможным качественно отображать сигнал на экране.  Вы можете добавлять маркеры, маски, масштабировать отображение формы волны, регулировать Разрешение по полосе частот (RBW) и шкалы, а также делать многое, чтобы максимально оптимизировать свои измерения под стоящие перед вами задачи. 

Выводы

Понимание алгоритма прохождения тестируемого сигнала внутри анализатора поможет вам обрести понимание не только того какие процессы происходят внутри этого прибора, но, что самое важное – осуществлять качественные измерения. Настройки затухания помогут вам просматривать сигнал на выбранной шкале, а также контролировать соотношение сигнал/шум. Настройка разрешения по полосе частот (RBW) даёт возможность управлять разрешением по горизонтали, точностью показаний частоты и скоростью выборки анализатора сигналов. Кроме того, вы можете выбрать тип детектора для обретения полного понимания амплитуды тестируемого сигнала на предмет того, хотите ли вы видеть максимальные, минимальные, произвольные или усреднённые наборы данных по амплитуде  исследуемого сигнала. 
Магазин Gtest® - авторизованный поставщик Анализаторов Спектра в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/analizatory-radiochastotnogo-spektra